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• Yesid Garcia DeAvila

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CAPÍTULO 5 LAMINACIÓN

5.1 GENERALIDADES La laminación consiste en la reducción de la sección transversal de un material, al hacerlo pasar entre dos rodillos cilíndricos que giran en sentido opuesto (figura 5.1). Dichos cilindros producen la deformación plástica del material por medio de esfuerzos de compresión y corte. Los de compresión se deben a que según el material se introduce entre los rodillos, el espesor libre entre ellos va siendo menor; los esfuerzos cortantes son debidos a que las fibras externas del material están sujetas a la fuerza de fricción de los rodillos.

FIGURA 5.1 Efecto del proceso de laminación sobre la estructura. i) en frío ii) en caliente

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FIGURA 5.2 Tren de laminación de planos

Los antecedentes más antiguos del proceso se remontan a 1550, cuando se obtienen las primeras hojas de metal laminado, las cuales se caracterizan por su espesor uniforme a diferencia de las producidas anteriormente por forja. Es fácil suponer que rápidamente el proceso se difundió, empleándose posteriormente no sólo para ajustar el espesor de las hojas, sino también para reducirlo. En un principio el proceso no fue aplicado en el hierro, tuvo que transcurrir más de un siglo para que esto ocurriera. El verdadero nacimiento de la laminación se produce hasta 1783, cuando el inglés Henry Cort obtiene la patente británica No. 1351, la cual introduce los rodillos ranurados que se emplean en la manufactura de barras de hierro.

FIGURA 5.3 Molino de laminación accionado por vapor, segunda mitad del siglo XIX

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CAPÍTULO 5. LAMINACIÓN

5.2 PROCESO DE LAMINACIÓN Hoy en día, la laminación es el medio más económico para reducir la sección transversal de un material, y tiene por esto un gran campo de aplicaciones tanto en frío como en caliente. Algunas de sus características y limitaciones son: Laminación en frío: Buen acabado superficial Buen control dimensional Bajo porcentaje de reducción posible. Se hace necesario un recocido para aliviar tensiones por deformación plástica en frío (acritud) Laminación en caliente: Posibilidad de altos porcentajes de reducción Deficiente acabado superficial Limitado control dimensional Menores cargas de deformación Con base en estas propiedades se elige el proceso que se debe seguir para la obtención de un producto determinado y, en muchos casos, se utilizan combinaciones de ellos (figura 5.4).

FIGURA 5.4 Proceso de laminación (laminador dúo reversible)

Generalmente, los primeros pasos de deformación, en los que se requieren grandes reducciones, se realizan en caliente; mientras que cuando es necesario un mejor acabado o dimensiones precisas, se lamina en frío. 133

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Se puede clasificar a los laminadores en dos grandes grupos: los que laminan formas planas, constituidos por rodillos lisos y paralelos; y los que se utilizan para producir perfiles tales como: redondos, cuadrados, rieles, viguetas, canales y varilla; para lo que se utilizan rodillos con diferentes tipos de acanaladuras.

Arreglos de laminadores La unidad básica a través de la cual se realiza el proceso se denomina caja de laminación. Está constituida por el bastidor, chumaceras, medios de accionamiento y sistemas de ajuste de la apertura de los rodillos, así como de otros elementos auxiliares tales como las guías de entrada y salida. Estos arreglos se designan o clasifican de acuerdo con el número y disposición de los rodillos, se tiene entonces: LAMINADOR O ARREGLO DÚO: Es la disposición más antigua, sencilla y versátil, ya que se emplea tanto en desbaste como en acabado. Consiste en dos rodillos que giran en sentido opuesto, cuyo eje de rotación es horizontal, y están contenidos en un mismo plano vertical (figura 5.5). En el caso de que se cuente con una sola caja para realizar el proceso, éste será lento debido al tiempo que se pierde al llevar el material a la entrada del laminador, además de que se requieren mesas elevadoras.

FIGURA 5.5 Laminador dúo

El desarrollo lógico a partir de lo anterior fue el laminador dúo reversible, en el que el material puede ser laminado en ambos sentidos. Este arreglo está limitado por la longitud del material y por la velocidad de laminación. Se emplea en el desbaste de barras o placas de hasta 10 m de longitud. ARREGLO TRÍO: Consta de tres rodillos de igual diámetro, con eje de rotación horizontal; los ejes de los tres se encuentran contenidos en un mismo plano vertical (figura 5.6). Presenta las ventajas de dúo y dúo reversible, razón por la que es utilizado en desbaste así como en trenes 134

CAPÍTULO 5. LAMINACIÓN

desplegados. En el caso de que sean empleados en el desbaste, será necesario que cuenten con mesas elevadoras en ambos lados.

FIGURA 5.6 Laminador trío

LAMINADOR CUARTO: Está compuesto por cuatro rodillos (figura 5.7), dos de trabajo y dos de apoyo, cuyo eje de rotación está contenido en un mismo plano vertical. Los rodillos interiores (de trabajo) normalmente son forjados y su diámetro es de 1/2 a 1/3 de los de apoyo. Este tipo de arreglos se emplea básicamente en los pasos de acabado de hoja; se busca que éstos reduzcan la carga y eviten variaciones sobre el eje transversal del espesor de la lámina (se evita la flexión de los rodillos); sin embargo, también encuentran aplicación en pasos intermedios de desbaste sobre todo para materiales tenaces.

(a) FIGURA 5.7

(b)

Laminador cuarto, (a) Descripción esquemática de un laminador cuarto con enrollador y freno (desenrollador), (b) caja de laminación, (c) Laminador cuarto reversible con enrollador y freno

LAMINADOR DE RACIMO: Consiste en dos rodillos de trabajo de pequeño diámetro y cuatro o más rodillos de apoyo (figura 5.8), contenidos en varios planos verticales. Se emplea en el acabado de hoja metálica de alta resistencia y de pequeño espesor. 135

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FIGURA 5.8 Laminador en racimo

LAMINADOR SENDZIMIR (figura 5.9): Es una refinación del arreglo de racimo, en el que se tienen del orden de 18 rodillos de apoyo. Se emplea cuando se van a laminar metales muy tenaces, de anchos mayores a 1 m y de espesores muy pequeños. La aplicación del rodillo de pequeño diámetro permite reducir la carga y, por lo tanto, la potencia necesaria, además de que facilita la laminación de pequeños espesores así como el preciso control del espesor. Por ejemplo, en estos laminadores se puede trabajar hoja de acero inoxidable de hasta 1.6 m de ancho con los rodillos de menos de 10 cm de diámetro.

FIGURA 5.9 Laminador Sendzimir

LAMINADOR PLANETARIO: Este arreglo (figura 5.10) combina los efectos de forja y laminación, permitiendo grandes reducciones en una sola etapa. Se podrá entonces pasar de un planchón a lámina (reducción del 90% o aun mayor), con lo cual el laminador hace las veces de todo un tren. 136

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Consiste en una serie de rodillos de pequeño diámetro, los cuales giran sobre dos rodillos de apoyo de mayor diámetro. Dadas las grandes reducciones y las obvias características del producto acabado, es necesario contar con rodillos de empuje y cuando menos un par de rodillos acabadores. Por su complejidad y alto costo son muy poco comunes.

FIGURA 5.10 Laminador planetario

En ocasiones se utiliza la combinación de rodillos en una misma caja de laminación, el eje de un par de éstos se encuentra rotado 90° con respecto a los otros. A este arreglo se le conoce como caja universal, y como block "x" cuando los rodillos se encuentran en planos a 45° con respecto a la horizontal. Estos arreglos pueden ser utilizados en la fabricación de vigas o en el ajuste de los costados de placas.

Tren de laminación Cuando se desea obtener un determinado producto, como la varilla corrugada, barra hexagonal, cuadrada, circular; o perfiles tales como vigas, etcétera, y además se requiere de un gran volumen de producción, será necesario recurrir a un tren de laminación (figuras 5.11, 5.12 y 5.13), formado por una o más cajas de laminación, las cuales trabajan de manera secuencial. Los trenes de laminación se clasifican tanto con base en el producto obtenido, como de acuerdo con la disposición de las cajas que los constituyen, teniéndose entonces: TREN CONTINUO: Se compone de cajas que se encuentran una a continuación de otra; el material que se está laminando pasa de una a otra caja sin interrupción, y se lamina la misma barra en varias cajas al mismo tiempo (cajas acomodadas en serie). SEMICONTINUOS: Tienen la misma disposición del continuo; sin embargo, en ellos se puede retirar el material en pasadas intermedias, si así se desea. 137

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FIGURA 5.11 Tren de laminación de tipo continuo

EN LÍNEA O DESPLEGADOS: Están compuestos por cajas alineadas o dispuestas en líneas paralelas. Entre caja y caja existen dispositivos repetidores y formadores de lazo; normalmente un único motor principal acciona todas las cajas del tren. Se emplean cajas trío, donde el tercer rodillo sirve únicamente como árbol de transmisión. EN ZIGZAG: Es una combinación de tren continuo y de línea. En los trenes continuos se emplean cajas dúo agrupadas de dos en dos. Si se tienen rodillos horizontales y verticales, de tal forma que el material pueda ser deformado en dos direcciones o si se tienen cajas universales, se habla de trenes no twist (sin giro).

FIGURA 5.12 Tren de laminación en zig-zag

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CAPÍTULO 5. LAMINACIÓN

FIGURA 5.13 Tren en línea

Elementos de un tren de laminación Un tren de laminación, como ya se ha comentado, está constituido por una o más cajas de laminación, caja de piñones, reductor y motor. La caja de laminación está compuesta por el castillo o bastidor, generalmente fabricado de acero vaciado, aunque en ocasiones se elabora a partir de placas soldadas o hierro nodular; estos últimos se utilizan para laminado en caliente. Cuando las condiciones de trabajo así lo requieran, se usarán rodillos de acero forjado. Los rodillos están soportados por: a) Chumaceras, que pueden ser tipo buje (prácticamente ya no se utilizan en la actualidad), y son fabricadas generalmente de bronce o polímeros termofijos. b) Rodamientos, que son los más utilizados en la actualidad. Los tipos de rodamientos más empleados son los de rodillos cilíndricos y los axiales de rodillos cónicos. Para los árboles de transmisión se usan aceros al carbono o cromo-molibdeno, mientras que los coples son, en muchos casos, de hierro colado para que puedan actuar como fusibles mecánicos. La caja de piñones es un implemento intermedio entre el reductor y los rodillos, su finalidad es dar movimiento a igual velocidad y sentidos contrarios a los rodillos de laminación. Está constituida por 139

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piñones de igual diámetro de paso de doble helicoidal (para evitar cargas axiales). Cuando se trata del accionamiento de una caja trío, el árbol motriz será el central. Las juntas de acoplamiento entre los piñones y los rodillos son de tipo universal para absorber el grado de desalineamiento de la transmisión que se produce al variar la separación entre los rodillos. Dado que la velocidad del motor es mayor que la de los rodillos, será necesario el empleo de un reductor de velocidad, el cual está constituido con engranes dobles helicoidales. En algunos casos esta unidad se encuentra incorporada a la caja de piñones.

a) caja de laminación

b)

transmisión

FIGURA 5.14 Partes principales de un tren de laminación

En función del tipo de motor seleccionado, se requiere en ocasiones (trenes de diseño muy antiguo), un volante de inercia entre el motor y el reductor. En el caso de trenes continuos se emplean motores de corriente directa; se tendrá un motor por cada una o dos cajas. En los trenes desplegados se emplean motores de corriente alterna de anillos rozantes, los cuales proporcionan el suficiente par y potencia para impulsar todas las cajas que componen al tren. 140

CAPÍTULO 5. LAMINACIÓN

Para ajustar la deformación del material es necesario que el rodillo superior, en el caso de los dúo, o el superior e inferior, en el caso de los trío, sea capaz de tener movimiento vertical. Por esto es necesario contar con un sistema de ajuste y suspensión para los rodillos superiores. En una caja trío las chumaceras centrales se encuentran fijas, mientras que, como se ha comentado anteriormente, tanto las superiores como las inferiores pueden ser reguladas verticalmente en ambos sentidos, con la finalidad de poder ajustar el claro entre los rodillos. Las chumaceras inferiores pueden tener un mecanismo de cuña para su regulación, mientras que las superiores son reguladas mediante husillos. Como los rodillos deben permanecer siempre a su separación máxima calibrada, es necesario mantener el rodillo superior permanentemente oprimido hacia arriba, por lo que se utiliza un mecanismo de suspensión, que puede estar constituido por resortes entre las chumaceras superiores y las centrales (o entre las inferiores y las superiores en el caso de un dúo); en ocasiones se ajustan las chumaceras a la parte superior por medio de tirantes. Es usual suspender los rodillos pequeños de la parte superior del bastidor mediante resortes. ELEMENTOS AUXILIARES DEL TREN DE LAMINACIÓN: El número y tipo de los elementos auxiliares que se presentan en un tren dependerá del tipo de éste, del producto que se va a fabricar y del grado de automatización de la planta. Son comunes, entre otros: a. Horno de precalentamiento b. Mesas fijas y basculantes c. Tijeras de despunte y descole d. Guías de entrada y salida e. Repetidores f. Arrastradores

FIGURA 5.15 Mesa basculante

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Además de los anteriores, se tienen tijeras de emergencia, canaletas, frena colas y mesas de enfriamiento, así como otros equipos que dependerán del caso particular.

Dadas las características cada vez más elevadas en cuanto a propiedades mecánicas, acabado y tolerancia del material laminado, es común encontrar en las modernas plantas que los trenes sean controlados por computadora, permitiendo entonces la obtención de propiedades mecánicas más elevadas y con tolerancias cerradas.

FIGURA 5.16 Proceso de laminación controlado por sistemas computacionales

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5.3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE LAMINACIÓN Para determinar la carga y potencia demandadas por el proceso, se consideran las relaciones involucradas entre la geometría de los rodillos y las fuerzas, así como el efecto que representan la temperatura, velocidad, reducción y acabado de los rodillos.

Relaciones geométricas en el laminado Al tener una deformación plástica, el gasto volumétrico a la entrada y salida es igual:

b0h0v0 b f h f v f

(5.1)

donde:

b ancho h espesor v velocidad 0 condición de entrada f condición de salida

En el laminado de productos planos se puede considerar que el ensanchamiento es nulo, por lo tanto:

h0 hf

v f = v0

La reducción está definida como:

r=

(h 0 - h f )

(5.2)

h0 La presión de laminado se aplica sobre el arco de contacto. Para facilitar el análisis se va a considerar la proyección de éste en la dirección de laminado; esta nueva variable se considerará como longitud proyectada del arco de contacto ( L p ).

R

2

L 2p

R-

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h 2

2

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h2 R h2

Lp

2

(5.3)

donde R es el radio del rodillo. Como

h